纳米二氧化钛的制备及其光催化性能

杜锦阁，姚朝宗

（新乡医学院 三全学院，河南 新乡453003）

纳米二氧化钛的制备及其光催化性能

杜锦阁，姚朝宗

（新乡医学院 三全学院，河南 新乡453003）

分别采用水热法和溶胶－凝胶法制备了TiO2纳米粉体；利用X射线衍射仪和扫描电镜分析了两种方法制备的TiO2粉体的形貌和晶体结构，并测定了纳米TiO2粉体对罗丹明B的光催化降解活性.结果表明：采用水热法制备的TiO2纳米粉体含有锐钛矿相和金红石相，粒径较小，大约为50nm，而且分散均匀，光催化性能良好；采用溶胶－凝胶法制备的TiO2粉体经过550℃煅烧后仍然为锐钛矿相，而且粒径较大，大约为80nm.

溶胶－凝胶法；TiO2；混晶；光催化活性

20世纪70年代FUJISHIMA和HONDA发表的关于在TiO2电极上光分解水的文章，揭开了TiO2光催化时代的序幕［1］.由于TiO2光催化剂无毒、稳定性好、廉价易得，能将环境污染物降解为CO2和H2O且不造成二次污染而得到了广泛研究［2－3］，被认为是最好的光催化材料.

TiO2具有多种晶相，包括板钛矿相、锐钛矿相以及金红石相［4］.人们一般认为，锐钛矿相的二氧化钛光催化活性较好，对二氧化钛光催化性能的研究也大多采用锐钛矿相.但是，有人注意到，商业产品P－25本身是双晶相的二氧化钛粉末，这种存在于锐钛矿和金红石混相中的协同作用成为了近年来研究的重点［5－8］，研究证明，锐钛矿相与金红石相共存时光催化效果最好［9］.但是，含有锐钛矿相和少量金红石相的混晶TiO2很难被直接合成出来，而是需要通过其他手段获得，如煅烧等.高温煅烧虽然有利于形成规则的晶型结构，然而也会降低TiO2晶粒的比表面积、减少表面羟基含量［10］，高温煅烧制得的TiO2颗粒在投入溶液中后极易团聚［11］，降低纳米TiO2的光催化活性.因此，为了避免高温煅烧操作带来的影响，作者采用较为廉价的四氯化钛作为钛源，通过水热法直接制备出含有锐钛矿相和少量金红石相的混晶纳米TiO2，与经过煅烧制备的TiO2相比较，分别研究了它们的光催化活性.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

四氯化钛（分析纯，金山县兴塔化工厂）；无水乙醇（分析纯，北京化工厂）；尿素（分析纯，北京化工厂）；罗丹明B（分析纯，洛阳市化学试剂厂）.郑州杜甫仪器厂的聚四氟乙烯内衬的高压反应釜（体积50mL）；江苏省东台县电器厂的高温电炉（SRJX－3－9型）；德国Bruker axs D8X射线衍射仪（Cu靶 Kα线，20mA，40 kV）；北京普析通用仪器有限公司TU－1900型双光束紫外可见分光光度计；美国JSM－5600型扫描电镜（加速电压20kV）；SGY－1型多功能光化学反应仪（南京斯东柯电气设备有限公司）.

1.2 二氧化钛光催化剂的制备

取1mL四氯化钛，冰水冷却30min，加入到10mL蒸馏水和10mL乙醇的混合溶液中，搅拌，缓慢滴加10mL质量分数为0.6%的尿素溶液，室温匀速搅拌2h后，转移至聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，在鼓风干燥箱中180℃恒温处理16h.冷却至室温，过滤、洗涤，60℃烘干，即得到纯的TiO2纳米粉体.

溶胶－凝胶法制备二氧化钛参见文献［12］，得到的凝胶经真空干燥、研磨、煅烧、再研磨后得到TiO2样品.

1.3 光催化剂活性的测定

以罗丹明B为降解物，使用SGY－1型多功能光化学反应仪评价TiO2纳米粉体的光催化活性.该反应仪是三层同心圆筒玻璃容器，在中间放置300W高压汞灯（北京天胜恒辉光源电器有限公司，主波长500nm），汞灯外为石英冷阱，内通冷却水，用于降温.试验时，将20mg催化剂加入到250mL浓度为30mg／L的罗丹明B溶液中，在避光条件下搅拌30min，然后转移至光化学反应仪中，开启电磁搅拌，最后开启汞灯，待稳定后开始计时，间隔一定时间取样10mL，离心分离15min，取上清液，用722型光栅分光光度计测定罗丹明B的吸光度，计算其降解率.

2 结果与讨论

2.1 样品的XRD分析

图1是两种方法制备的TiO2纳米粉体的XRD图.由图1a可知，用水热法制备的TiO2纳米粉体具有锐钛矿相和金红石相，其中在2θ位于25.4°、37.8°和47.6°附近，出现锐钛矿相 TiO2的特征峰；在2θ位于27.4°、36.2°附近，出现金红石相TiO2的特征峰.由图1b可知，经过溶胶－凝胶法制备的TiO2纳米粉体经过550℃煅烧2h后仍然只存在锐钛矿相，特征峰2θ位于25.4°、37.8°和47.6°附近.说明通过水热法可以直接制备出混晶纳米TiO2粉体.由Scherrer公式D＝kλ／βcosθ（式中k＝0.89，λ＝0.154 1nm，β为半高宽，θ为布拉格角，D为晶粒平均粒径（nm）），可求得样品的晶粒大小.水热法制备的TiO2粒径约为50nm，而溶胶－凝胶法制备的TiO2经550℃煅烧后粒径约为80nm.

2.2 样品的形貌分析

图2是两种方法制备的TiO2纳米粉体的SEM图.由图2可知，水热法制备出的TiO2纳米粉体晶形完整，呈不规则块状，分散均匀，粒径较小，大约为50nm；溶胶－凝胶法制备的TiO2纳米粉体经550℃煅烧后也呈不规则块状，但团聚现象较为严重，粒径较大，约为80nm.这与样品的XRD分析相符.

图1 TiO2纳米粉体的XRD图Fig.1 X－ray diffractograms of TiO2powders

图2 不同方法制备的TiO2纳米粉体的SEM照片Fig.2 SEM images of TiO2powders

2.3 催化剂的光催化活性

图3是两种方法制备的TiO2纳米粉体的光催化活性比较图.由图3可知，水热法合成的TiO2纳米粉体在15、30、45及60min时降解率分别为76.7%、88.9%、95.3%以及99.6%，而溶胶－凝胶法制备的TiO2降解率分别为69.8%、81%、88.4%以及90.1%.水热法制备的TiO2光催化效果较好，这是因为：（1）它既含有锐钛矿晶型，又含有金红石晶型，由于锐钛矿相与金红石相之间的费米能级不同，在某一相中产生的光生电子和空穴可能会流向另一相，从而大大降低了电子和空穴复合的可能性，提高了样品的光催化活性；（2）TiO2经过煅烧后，团聚现象较为严重，与罗丹明B的接触面积降低；⑶表面羟基为TiO2的活性点，煅烧后表面羟基减少，因此，降低了其光催化效果.

结论：以廉价的四氯化钛为钛源，用水热法直接制备出了含有锐钛矿相和少量金红石相的混晶纳米TiO2，通过对比试验，发现其光催化效果明显好于纯锐钛矿相的TiO2纳米粉体.

图3 TiO2纳米粉体的制备方法对罗丹明B降解率E的影响Fig.3 Effect of preparation methods of TiO2nanoparticles on the degradation rate of reactive RB

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Preparation and photocatalytic properties of nano－titania

DU Jinge，YAO Chaozong
（Sanquan College，Xinxiang Medical University，Xinxiang453003，Henan，China）

Nano－TiO2particulates were prepared by hydrothermal method and sol－gel method，respectively.The morphology and crystalline structure of as－prepared nano－TiO2were analyzed by X－ray diffraction and scanning electron microscopy.Their photocatalytic activity was evaluated in relation to photocatalyzed degradation of Rhodamine B at room temperature.Results indicate that nano－TiO2catalyst synthesized by hydrothermal method consists of anatase and rutile phases with a smaller size of about 50nm，and it has good photocatalytic activity.Besides，nano－TiO2prepared by sol－gel method consists of anatase phase alone after calcination at 550℃，and it has a larger size of about 80nm.

hydrothermal method；sol－gel method；nano－TiO2；photocatalytic activity

O 614

A

1008－1011（2012）04－0078－03

2012－02－09.

杜锦阁（1984－），女，硕士，助教，研究方向为无机纳米材料.E－mail：jingeliu123456＠126.com.